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搬运机毕业设计开题报告

中北大学

毕业设计开题报告

学生姓名：

杜宝林

学号：

0902014128

学院、系：

机械工程与自动化学院

专业：

机械设计制造及其自动化

设计题目：

平移搬运机器人的设计与研究

指导教师：

宋胜涛（副教授）

填表日期2013年3月13日

毕业设计开题报告

1．结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：

文献综述

一、平移搬运机器人研究的意义

工业机器人是现代机械集成制造的关键，工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。

工业机器人是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。

它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。

可以通俗的理解为“机器人是技术系统的一种类别，它能以其动作复现人的所有动作和智能，它与传统的自动机（或自动系统）的区别在于有更大的万能性和多目的的用途，可以反复调整以执行不同的功能”。

【1】

六自由度机械手

搬运机器人【transferrobot】是可以进行自动化搬运作业的工业机器人。

最早的搬运机器人出现在1960年的美国，Versatran和Unimate两种机器人首次用于搬运作业。

搬运作业是指用一种设备握持工件，是指从一个加工位置移到另一个加工位置。

搬运机器人可安装不同的末端执行器以完成各种不同形状和状态的工件搬运工作，大大减轻了人类繁重的体力劳动。

目前世界上使用的搬运机器人逾10万台，被广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配流水线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运。

部分发达国家已制定出人工搬运的最大限度，超过限度的必须由搬运机器人来完成。

搬运机器人是近代自动控制领域出现的一项高新技术，涉及到了力学，机械学，电器液压气压技术，自动控制技术，传感器技术，单片机技术和计算机技术等学科领域，已成为现代机械制造生产体系中的一项重要组成部分。

它的优点是可以通过编程完成各种预期的任务，在自身结构和性能上有了人和机器的各自优势，尤其体现出了人工智能和适应性。

应用搬运机器人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用搬运机械人可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。

因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都有搬运机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。

可见，有效的应用搬运机械手，是发展机械工业的必然趋势机械手是提高劳动生产率,改善劳动条件,减轻工人劳动强度和实现工业生产自动化的一个重要手段,国内外都很重视它的应用和发展。

搬运机器人是典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。

【2】

二、国内外发展状况

国内状况：

搬运机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。

在现代生产过程中，搬运机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了搬运机械手的发展，使得搬运机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。

搬运机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，搬运机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用

国内搬运机械手的发展趋势主要可以概括为以下几点：

①搬运机械手性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降。

②机械结构向模块化、可重构化发展。

例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:

由关节模块、连杆模块用重组方式构造搬运机械手整机;国外已有模块化装配搬运机械手产品问市。

③搬运机械手的控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:

大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

④搬运机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，搬运机械手还应用了视觉、力觉等传感器，

⑤虚拟现实技术在搬运机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵搬运机械手。

【3】

国外状况：

国外搬运机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的搬运机械手。

使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。

视觉功能即在搬运机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及微型计算机。

触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。

工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。

总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。

更重要的是将搬运机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。

【3】

三、平移搬运机器人的设计构思

机构的自由度是指机构中各构件相对于机架所具有的独立运动参数，机构的自由度与组成机构的构件数目、运动副的类型及数目相关。

【4】从运动形式来看，并联机构可分为平面机构和空间机构；细分可分为平面移动机构、平面移动转动机构、空间纯移动机构、空间纯转动机构和空间混合运动机构, 另可按并联机构的自由度数分类：

（1 ）2 自由度并联机构。

2 自由度并联机构，如5-R、3-R-2-P（R 表示转动副，P 表示移动副）平面5杆机构是最典型的2自由度并联机构，这类机构一般具有2 个移动运动。

      （2 ）3 自由度并联机构。

3 自由度并联机构各类较多，形式较复杂，一般有以下形式：

平面3自由度并联机构，如3-RRR 机构、3-RPR 机构，它们具有2个移动和一个转动；球面3自由度并联机构，如3-RRR 球面机构、3-UPS-1-S 球面机构，3-RRR 球面机构所有运动副的轴线汇交空间一点，这点称为机构的中心，而3-UPS-1-S  球面机构则以S的中心点为机构的中心，机构上的所有点的运动都是绕该点的转动运动。

（3 ）4 自由度并联机构。

4 自由度并联机构大多不是完全并联机构，如2-UPS-1-RRRR 机构，运动平台通过3 个支链与定平台相连，有2个运动链是相同的，各具有1 个虎克铰U ，1 个移动副P ，其中P 和1 个R 是驱动副，因此这种机构不是完全并联机构。

（4 ）5 自由度并联机构。

现有的5 自由度并联机构结构复杂，如韩国Lee的5自由度并联机构具有双层结构（2 个并联机构的结合）。

       （5 ）6 自由度并联机构。

6 自由度并联机构是并联机器人机构中的一大类，是国内外学者研究得最多的并联机构，广泛应用在飞行模拟器、6维力与力矩传感器和并联机床等领域。

但这类机构有很多关键性技术没有或没有完全得到解决，比如其运动学正解、动力学模型的建立以及并联机床的精度标定等。

从完全并联的角度出发，这类机构必须具有6个运动链。

【5】【6】

Spatialformoftheparallelrobot

2、1.Fixedplatform2.Passiverevolutejoint3.activerevolutejoint4.Prismaticjoint5.Sphericaljoint6.Movingplatform【7】

【8】

四、平面搬运机器人的设计意义

自从20世纪60年代初人类制造了第一台工业机器人以后，机器人就显示出了极强的生命力。

日本政府对工业机器人产业和应用实施了积极的扶植政策，率先从美国引进了机器人技术，仅用十几年的时间，在日本就实现了工业机器人的产业化和推广应用。

现在，在工业发达国家中，工业机器人已广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、电子电器行业、橡胶及塑料工业、食品工业、物流等诸多领域中。

作为先进制造业中不可替代的重要设备和手段。

工业机器人已经成为衡量一个国家制造水平和科技水平的重要标志。

【9】

目前我国国民经济的快速发展，先进制造业已进入一个新的发展阶段。

随着经济全球化和进程的加快，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际竞争的局面。

如何适应快速变化的国内外市场需求，如何以高质量、低成本、快速反应的手段在市场中取得生存和发展，已是我国企业不容回避的问题，这些问题为工业机器人的应用提供了大的市场需求，促使中国工业机器人的应用市场日趋成熟。

工业机器人的制造及应用水平代表了一个国家的制造业水平，因此建议必须从国家高度认识发展中国工业机器人产业的重要性，这是我国从制造大国向制造强国转变的重要手段和途径。

中国机器人产业的发展正处于关键的转折点，如果政府的扶持力度再向前推进一步，中国的机器人产业将会跃过目前的“临界期”，跨上一个新的台阶，进入快速发展阶段。

【10】

近年来，先进制造技术的发展对并联机器人的研究和发展起着积极的促进作用。

随着先进制造技术的发展，工业机器人已从当初的柔性上下料装置，正在成为高度柔性、高效率和可重组的装配、制造和加工系统中的生产设备。

要从组成敏捷生产系统的观点出发，来研究并联机器人的进一步发展。

面向先进制造环境的机器人柔性装配系统和机器人加工系统中，不仅有多机器人的集成，还有机器人与生产线、周边设备、生产管理以及人的集成。

要想使并联机器人充分发挥其优势性，适应于市场的需求,就需要对并联机器人进行模块化设计。

并联机器人的模块化设计正是符合敏捷制造提出的策略，敏捷制造的基本思想是企业能迅速将其组织和装备重组，快速响应市场变化，生产出满足用户需求的个性化产品【11】

五、机器人的结构以及设计内容

机器人主体的机械结构由腰座、大臂、小臂和腕部等几部分组成。

搬运机器人有6个自由度，每一关节都装置角度零位及正负方向限位开关，机器人的腰部是机器人的基础部分，用于实现机器人的水平回转，一个自由度；大臂用来连接腰部和小臂，具有绕腰部支点摆动一个自由度，和小臂配合可以使腕部达到工作区域内垂直平面上任一位置。

小臂用来连接大臂和手腕，具有绕大臂支点摆动和自转两个自由度，和大臂配合，可使腕部达到工作区域内垂直平面上任一位置，同时为腕部提供摆动与旋转的支点。

腕部是机器人结构最复杂的部分，主要功能是带动末端夹持器完成预定姿态，具有绕小臂支点摆动和绕自身轴线旋转两个自由度。

腰部回转、大臂摆动、小臂摆动三个自由度确定执行器的末端位姿。

在进行机械结构设计时，大小、臂及碗部设计为大刚性。

同时，为了减少驱动力矩和增加运动的平稳性，对大、小臂进行静力平衡处理，采用压缩弹簧对大臂进行静力平衡，并将小臂自转驱动电机、腕关节摆动电机和腕关节自转电机均配置在小臂上.【12】

分析多种结构方案，确定合理的结构方案，分析和计算该并联机器人的运动自由度.并联机构（ParallelMechanism，简称PM），可以定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。

并联机器人机构间的联接：

六、平移搬运机器人位姿描述以及运动学分析

1.位姿描述

在机械系统的建模和分析中，坐标系是一个必不可少的工具，对于一个复杂系统中各个构件之间的相互关系，需要通过坐标系来进行描述。

以机器手臂人为例，要使其在程序的指令下完成预期的工作过程，就必须定义各种坐标系，其中包括大地坐标系、基坐标系、工件坐标系、和工具坐标系等。

所以，搞清楚坐标系之间的变换关系是十分重要的。

为了描述机械手本身的各个连杆之间、机械手和环境之间的运动关系，并且忽略了机械手连杆的弹性形变，把机械手连杆作为刚体来研究。

刚体上参考点的位置和刚体的姿态称为刚体的位姿。

刚体位姿的描述包括刚体所处位置的描述和对刚体空间姿态的描述。

刚体的位置和姿态确定之后，它在空间的状态就得到了确定【15】。

【16】

2.运动学分析

当已知所有的关节变量时，可用正运动学来确定机器人末端执行器的位姿。

换言之，已知机械手所有连杆长度和关节角度，那么计算机器人手的位姿就称为正运动学分析。

如果要使机器人末端手放在特定的点上并且具有特定的姿态，可用逆运动学来计算出每一关节变量的值，使机械手末端执行器放置在期望的位姿，这就叫做逆运动学分析。

事实上，逆运动学方程更为重要，机械手控制器将用这些方程来计算关节值，并以此来运行机械手到达期望的位姿。

欠驱动机器人手腕的运动学分析的目的在于得到驱动器输入量与手腕末端输出量之间的关系。

求解机器人的逆运动学问题所建立的方程可以直接用驱动器驱动机器人到达一个位置。

换言之，机器人设计者必须计算逆解并推导这些方程，并反过来用它们驱动机器人到达期望位置【17】。

参考文献

【1】李梦群，庞学慧，王凡.先进制造技术导论.北京：

国防工业出版社，2010.

【2】韩建海.工业机器人.华中科技大学出版社.2009.

【3】毕胜.国内外工业机器人的发展现状。

机械工程师，2008（7）.

【4】李瑞琴.机械原理.北京：

国防工业出版社，2008.

【5】徐灏，邱宣怀等编。

机械设计手册，第五卷。

机械工业出版社，1992机器人设计图册。

机械工业出版社，1992

【6】贺永刚．基于运动功能的少自由度串并联机构创新设计方法的研究．华中科技大学机械设计理论硕士论文，2008（5）．

【7】LuYi.UsingCADFunctionalitiesforthekinematicsanalysisofspatialparallelmanipulatorswith3-,4-,5-,6-linearlydrivenlimbs.MechanismandMachineTheory,2004,39

（1）:

41-60.

【8】LionelBirglen,ThierryLaliberte,ClementGosselin.UnderactuatedRoboticHands[M],ScientificPublishingServicesPvt.Ltd.2007.

【9】江彦.战略高地：

机器人技术——访国家863计划制造领域专家组组长王田苗教授.中国制造业信息化.2009

（2）:

67.

【10】李瑞峰.中国工业机器人产业化发展战略.航空制造技术，2010（9）.

【11】黄真李秦川．少自由度并联机器人机构的型综合原理[J]．中国科学.2003，33（9）：

813-819．

【12】郝立，马勤弟.搬运机器人运动学仿真系统.MachineBuilding&AutomationNo.6-1999.

【13】李艳文．几类空间并联机器人的奇异研究．燕山大学机械设计与理论博士论文，2005

（2）．

【14】王坤茜．并联机构造型设计研究[J]．机床与液压.2005，11：

182-184．

【15】孙立宁楚中毅．2-DOF平面并联机器人结构参数优化的研究[J]．哈尔滨工业大学学报2004，36（3）：

277-280．

【16】杨金堂,孔建益,熊禾根,蒋国璋,李公法.平面低副五杆机构的基本型及其演化[J].机械设计与研究,2006,（04）.

【17】何卫锋,刘吉安,阳曼,李克天.两轴驱动并联机构的运动分析[J].包装工程,2006,（05）.

２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

通过以上的介绍，我们已经了解到搬运机器人的目前状况，本设计就是利用并联机构的相关理论与研究成果设计出用于搬运的并联机构的机构部分，并进行设计与仿真。

一、拟主要研究内容及解决的关键问题：

（1）主体机架的设计，材料选取与校核计算

（2）做出三维立体图，并出各非标准件二维工程图纸

（3）选择合适的传动机构并利用相关计算机软件进行建模与仿真。

（4）设计的具体指标：

1、搬运速度5次/分

2、承受重量100kg

3、搬运距离30cm-100cm可调

二、拟采用的研究思路和方法

1.根据系统的要求，选择机器人的坐标形式；

2.确定驱动系统的类型（基于plc的，或者基于计算机的）；

3.确定平移搬运机器人的结构设计方案（选择二自由度五连杆机构），选择材料并进行力学校核；

4.选择各部件的具体结构，进行机器人总装图的设计（利用CAD和UG）；

5.绘制机器人的零件图，并确定尺寸；

6.运用三维软件完成三维实体造型工作（利用UG）

7.选择合适的传动机构并利用计算机软件进行建模与仿真（利用UG或者Matlab）。

毕业设计开题报告

指导教师意见：

指导教师：

年月日

所在系审查意见：

系主任：

年月日